УДК 621.394/.396

Архитектура сенсорных сетей

Есмаханова Л.Н., Алибаев Ж.С.

Таразский Государственный Университет им. М.Х.Дулати, г. Тараз, Казахстан

Последние достижения в области технологий микро-электро-механических систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой электроники позволили создавать недорогие, маломощные, многофункциональные моты (узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно друг с другом. Сенсорных сети основанных на совместной работе большого числа крошечных узлов, которые состоят из модулей сбора и обработки данных, передатчика. Такие сети имеет значительные преимущества перед набором традиционных датчиков. Вот две ключевые особенности традиционных датчиков:

Датчики могут быть расположены далеко от наблюдаемого явления. При таком подходе требуется много датчиков, которые используют некоторые сложные методы, чтобы выделить цели из шума.

Можно развернуть несколько датчиков, которые выполняют только сбор данных. Тщательно разработать позиции датчиков и топологию. Они будут передавать наблюдения в центральные узлы, где и будет выполняются сбор и обработка данных.

Сенсорная сеть состоит из большого числа узлов (мотов), которые густо расположены близко к наблюдаемому явлению. Положение мотов не нужно предварительно рассчитывать. Это позволяет случайным образом располагать их в труднодоступных местностях или использовать для операций по оказанию помощи, которые требуют быстрого реагирования. С другой стороны, это означает, что сетевые протоколы и алгоритмы работы мотов должны обладать возможностью самоорганизации. Еще одной уникальной особенностью сенсорных сетей является совместная работы отдельных узлов. Моты оснащены процессором. Поэтому вместо передачи исходных данных, они могут их обрабатывать, выполняя простые вычисления и передавать далее только необходимые и частично обработанные данные. Описанные выше особенности обеспечивают широкий спектр применения сенсорных сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении, для военных нужд и безопасности. Например, физиологические данные о пациенте может контролироваться удаленно врачом. Это удобно как для пациента, так и позволяет врачу понять его текущее состояние. Сенсорные сети могут быть использованы для выявления инородных химических агентов в воздухе и воде. Они могут помочь определить тип, концентрацию и расположение загрязнителей. В сущности, сенсорные сети позволяют лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем, что в будущем, беспроводные сенсорные сети будут неотъемлемой частью нашей жизни, более, чем современных персональных компьютеры. Реализация этих и других проектов, требующих использование беспроводных сенсорных сетей, требуют специальных методов. Многие протоколы и алгоритмы были разработаны для традиционных беспроводных одноранговых сетей, поэтому они не очень хорошо подходит для уникальных особенностей и требований сенсорных сетей. Приведем различия сенсорных и одноранговых сетей:

• Количество узлов сенсорной сети может быть на несколько порядков выше, чем узлов в одноранговой сети;

• Узлы плотно расположены;

• Узлы подвержены сбоям;

• Топология сенсорных сетей может часто изменяться;

• Узлы в основном используют широковещательные сообщения, в то время как большинство одноранговых сетей основаны на связи "точка-точка";

• Узлы ограничены в питании, вычислительных мощностях, и памяти;

• Узлы не могут иметь глобальный идентификационный номер (ИН) из-за большого количества накладных расходов и большого количества датчиков.

Так как узлы в сети расположены плотно, соседние узлы могут оказаться очень близко друг к другу. Следовательно, multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять меньше энергии, чем прямые связи. Кроме того, можно использовать низкую мощность сигнала передачи данных, что полезно в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут эффективно преодолевать некоторые трудности при распространении сигнала на дальние расстояния в беспроводной связи. Одним из наиболее важных ограничений для узлов является малое потребление энергии. Моты имеют ограниченные источники энергии. Итак, в то время как традиционные сети направлены на достижение высокого качества сигнала, сетевые протоколы мотов должны сосредоточиться главным образом на сохранение энергии. Они должны обладать механизмами, которые дают пользователю возможность продления времени жизни мота за счет либо снижения пропускной способности, либо увеличения времени задержки передачи данных. Многие исследователи в настоящее время участвуют в разработке схем, которые выполняют эти требования.

Узел сенсорных сетей состоят из четырех основных компонентов, как показано на рис. 1: блок сбора данных, блок обработки, передатчик и блок питания. Наличие дополнительных модулей зависит от применения сетей, например, могут быть модули определения местонахождения, силовой генератор и мобилизатор (MAC). Модуль сбора данных, как правило, состоят из двух частей: датчики и аналого-цифровой преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал, генерируемый датчиком на основе наблюдаемого явления, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, а затем подается в блок обработки. Модуль обработки, который использует интегрированную память, управляет процедурами, которые позволяют совместно с другими узлами выполнять поставленные задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер) соединяет узел с сетью. Одним из наиболее важных компонентов узла является блок питания. Блок питания может иметь возможность подзарядки, например, используя солнечные батареи.

Рисунок 1 – Узел сенсорных сетей

Большинству узлов, передающих данные и собирающих данные, необходимо знать свое местоположение с высокой точностью. Поэтому в общую схему включен модуль определения местоположения. Иногда может понадобиться мобилизатор, который при необходимости перемещает узел, когда это необходимо для выполнения поставленных задач. Все эти модули, возможно, потребуется разместить в корпус размером со спичечный коробок. Размер узла может быть меньше кубического сантиметра и достаточно легким, чтобы оставаться в воздухе. Помимо размера, есть некоторые другие жесткие ограничения для узлов. Они должны:

• потребляют очень мало энергии;

• работать с большим количеством узлов на малых расстояниях;

• иметь низкую стоимость производства;

• быть автономными и работать без присмотра;

• адаптироваться к окружающей среде.

Поскольку узлы могут становиться недоступными, жизни сенсорной сети зависит от питания отдельных узлов. Питание ограниченный ресурс и из-за ограничений по размеру. Например, общий запас энергии смарт-узла составляет порядка 1 Дж. Для беспроводной интегрированной сети датчиков (WINS) средний уровень заряда, для обеспечения длительного времени работы должен быть меньше 30 LA. Возможно, продлить срок службы сенсорных сетей используя подзаряжаемые батареи, например, получая энергию из окружающей среды. Солнечные батареи – яркий пример использования подзарядки. Модуль передачи данных узла может быть пассивным или активным оптическим устройством, как в смарт-узле или радиочастотным (RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи нужен модуль модуляции, который использует определенную полосу пропускания, модуль фильтрация, демодуляция, что делает их более сложными и дорогими. Кроме того, возможны потери при передаче данных между двумя узлами из-за того, что антенны распложены близко к земле. Тем не менее, радиосвязь является предпочтительной в большинстве существующих проектов сенсорных сетей, так как частот передачи данных низкие (как правило, менее 1 Гц), а частота циклов передачи высока из-за малых расстояний. Эти характеристики позволяют использовать низкие радиочастоты. Однако, проектирование энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков по-прежнему является технически сложной задачей, а существующие технологии, которые используются при производстве Bluetooth устройства, не является достаточно эффективным для сенсорных сетей, поскольку потребляют много энергии. Хотя в настоящее процессоры постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают мощность, обработка и хранения данных узлом по-прежнему является его слабым местом. Например, модуль обработки смарт-узла состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти, 512 байт RAM и 512 байт EEPROM. В этом модуле, который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт свободной памяти под код, используется операционная система TinyOS. Модуль обработки другого прототипа узла lAMPS имеет процессор SA-1110 с частотой 59-206 МГц. На узлах IAMPS используется многопоточная операционная система L-OS. Большинство задач сбора данных требуют знаний позиции узла. Поскольку узлы, как правило, располагаются случайным образом и без надзора, они должны кооперироваться с помощью системы определения местоположения. Определение местоположения используется во многих протоколах маршрутизации сенсорных сетей. Некоторые предлагают, чтобы каждый узел имел модуль системы глобального позиционирования (GPS), который работает с точностью до 5 метров. В работе утверждается, что оснащение всех узлов GPS не обязательно для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный подход, где только некоторые узлы используют GPS и помогают другим узлам, определить свое положение на местности.

Литература:

1. Сети и системы мобильной связи 3-го поколения. Конспект лекций. Артюхин В.В., Прилепкина Л.П. – Алматы: АИЭС, 2011.

2. Тихвинский В.О. Сети подвижной связи третьего поколения. Экономические и технические аспекты развития в России. – М.: Радио и связь, 2010 – 312с.

3. В.В. Величко. Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения. – М.: Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 2011. – 332с.

4. В.О.Тихвинский, С.В.Терентьев, А.Б.Юрчук. Сети мобильной связи LTE - М.: Эко-Трендз, 2011.

5. Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи/ Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. – М:Экотрендз, 2011.

6. Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Е.Зимина. – 2-е изд., перераб и доп. – М: Радио и связь, 2012.

7. Системы радиосвязи: Учебник для вузов/ Под ред Н.И.Калашникова.- М:Радио и связь, 2010.

8. Андрианов В.И, Соколов А.В. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи. – СПб.:БХВ Петербург Арлит, 2011.

9. Гусев Д. Технологии беспроводного доступа: Справочник. Спб.: БХВ Петербург, 2012.

10. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Том 2. – Радиосвязь, радиовещание, телевидение/ Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П.; под ред. Шувалова В.П. – Изд.2-е, испр. И доп. – М:Горячая линия – Телеком, 2012.

11. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM.- М:Эко-Трендз, 2011.